Осевая нагрузка

Осевая нагрузка на породоразрушающий инструмент определяется диаметром долота и свойствами буримых пород. Как и в других видах бурения она тем больше, чем тверже горная порода. Необходимо учитывать, что при шнековом бурении оценить действительную осевую нагрузку, действующую на породоразрушающий инструмент, практически невозможно, поскольку в создании осевой нагрузки, кроме усилия подачи бурового станка, участвуют вес шнеков, вес породы на шнеках и реактивная сила при подъеме породы по шнекам.

Последние две составляющие трудно определимы, поэтому управление процессом шнекового бурения осуществляется условно регулированием усилия, создаваемого механизмом подачи бурового станка. При небольшой глубине скважины системой подачи создается дополнительная к весу нагрузка в мягких породах до 3—5 кН, в плотных до 10—20 кН, которая уточняется по условию максимально возможной механической скорости бурения при обеспечении выноса породы.

С увеличением глубины скважины, особенно при бурении в мягких породах, вес исков транспортируемой породы и реактивная сила становятся больше рациональной осевой нагрузки. В этом случае усилие подачи направлено вверх, и бурение ведут с разгрузкой, т. е. усилие подачи рагружает часть веса, а оставшаяся часть обеспечивает осевую нагрузку на долото, идет разрушение породы и углубка скважины.

Механическая скорость бурения

Следующий параметр параметр режима — механическая скорость бурения, которая должна поддерживаться из условия транспортирования породы, т.е. объём  разрушаемой породы не должен превышать транспортирующей способности  шнеков.

Особенности шнекового бурения

Главной положительной особенностью шнекового бурения является то, что в силу специфики работы шнековой колонны во многих случаях происходит непроизвольное  закрепление  стенок скважины, затираемой  в них породой. Как указывалось, долото и, следовательно, диаметр скважины в призабойной зоне имеет размер на 5—20 мм больше диаметра шнека.

Частицы разрушенной породы, поднимаясь по шнекам, частично попадают в зазор между шнеками и стенками скважины и «втираются» в стенки вращающейся ребордой, как бы оштукатуривая стенки, что придает им достаточную устойчивость. Закрепление стенок происходит не только в глинистых породах, но и при бурении любых минимально связных пород и, что особенно важно при бурении в гравийно-галечных отложениях, где при транспортировке породы мелкая галька «забивается» ребордой шнеков между крупными гальками в стенках скважины, создавая тем самым высокую устойчивость стенок. Для всех других видов бурения проходка гравийно-галечных отложений  представляет огромную трудность.

Другая особенность шнекового бурения отрицательная — возникновение вибраций шнековой колонны при недостаточной загруженности шнеков, поднимаемой породой, особенно с увеличением частоты вращения. Вибрация шнеков недопустима, так как она может привести к поломке соединений шнеков, а также к нарастающей разработке ствола скважины, в свою очередь увеличивающей вибрацию шнеков. Чтобы не допускать вибрацию, нельзя использовать шнеки с несосными соединениями, гнутые, с деформированной ребордой. В процессе бурения необходимо постоянно поддерживать заполненность шнеков породой путем регулирования скорости бурения. Если вибрация все же возникла, необходимо снизить частоту вращения и добиться заполнения шнеков породой.

Следующая особенность шнекового бурения тоже отрицательная — образование на шнеках «сальников» при бурении в вязких, липких породах. Порода налипает на отдельные участки шнека, а подаваемая снизу порода, натыкаясь на затор, не может транспортироваться, уплотняет и увеличивает затор — «сальник», размеры которого увеличиваются в ширину, становясь больше диаметра скважины за счет уплотнения стенок скважины. Такой сальник не только препятствует продолжению бурения, но и не позволяет извлечь инструмент на поверхность, т. е. происходит авария, ликвидировать которую при шнековом бурении довольно легко за счет применения левого вращения шнеков (если шнеки имеют не резьбовые соединения), при котором шнеки как бы выкручиваются из сальника. Для предотвращения образования сальников при бурении в вязких породах бурение необходимо вести на максимально возможной частоте вращения, чистить шнеки и при необходимости смазывать поверхность спирали шнеков, не допускать нарушения непрерывности спирали и смятия реборды шнеков. При реальной опасности сальникообразования рекомендуется в скважины подливать небольшое (3—5 л) количество воды.

Последняя особенность шнекового бурения связана с возможностью левого вращения шнеков. Кроме надежного и легкого извлечения шнеков при прихватах, сальниках, заклинке шнеков валуна  левое вращение шнеков в сочетании с медленным подъемом колонны и подачей на шнеки выбуренной породы позволяет получить полный качественный ликвидационный тампонаж скважины, при котором всякая рушенная порода подается обратно и заполняет объем скважины.

Геологическое опробование при шнековом бурении

Геологическое опробование при шнековом бурении может выполняться:

• непосредственно на устье скважины по породе, выносимой шнеками в процессе бурения;

• с лопасти спирали нижнего шнека при медленном ввинчивании его без долота и транспортировке породы с подъемом всей колонны шнеков на поверхность;

• с использованием магазинных шнеков;

• при использовании шнеко-колонкового бурения со съемным грунтоносом.

Выбор конкретного способа зависит от назначения скважины, требований к точности и качеству геологического опробования и технических возможностей.

Геологическое опробование по выносимой на поверхность породе имеет минимальную точность, не позволяет определять структуру и строение пород. Однако при таком способе и наличии минимальной геологической информации достигается максимальная производительность бурения. Геологический разрез при этом должен строиться с учетом времени и скорости транспортирования породы каждого вида по шнекам. Теоретически скорость подъема породы и точную привязку поднятой породы к глубине можно определить по формуле (8.20), но практически обычно неизвестны реальные значения коэффициентов трения и значения угла спирали траектории движения породы.

v_z = ωR sin α sin γ / sin (α + γ)       (8.20)

Поэтому разрез в таких случаях приходится строить приблизительно. Для повышения точности разреза обычно применяют поинтервальную углубку на 1 — 1,5 м, после чего вращением шнеков без подачи на поверхность поднимают всю породу с пробуренного интервала. Величина интервала определяет точность полученного геологического разреза. Уточнению разреза при этом методе способствует механический каротаж, т. е. фиксирование заметных изменений скорости бурения, которые соответствуют смене пород, что позволяет достаточно точно определять границы пластав.

Наиболее качественное опробование достигается при использовании магазинных шнеков. В этом случае получают образец породы с ненарушенной структурой, неизмененными механическими свойствами и достаточными для инженерных исследований размерами. Для получения образцов магазинным шнеком каждый раз после углубки на его длину необходимо останавливать бурение и поднимать на поверхность всю колонну шнеков, что резко снижает производительность бурения. Для увеличения производительности обычно сочетают бескерновое бурение с использованием магазинного шнека на отдельных перевалах скважины, где наиболее важно получить качественные образцы породы.

Шнеко - колонковое бурение полыми шнеками применяют значительно реже из-за сложности инструмента и малого диаметра образцов породы, обычно недостаточного для инженерно-геологических исследований. Главное достоинство этого метода — сочетание высокой производительности с непрерывным отбором образцов породы. Это наиболее перспективный метод, особенно при разведке стройматериалов и гидрогеологических исследованиях, что подтверждает зарубежный опыт, где шнеко-колонковое бурение колонной полых шнеков получило широкое применение и показывает высокую эффективность.

Расчетный способ определения глубины залегания границы контакта горных пород

Для определения глубины Н (рис. 8.30) контакта суглинка и песка (принято условно) шнековая колонна длиной H₀(, холостым вращением очищается от породы. В процессе бурения фиксируются следующие  величины.

• Н₀ — глубина скважины в начале бурения, м;

• t₁ и Н₁ — время от начала бурения, через которое транспортируемый шнеками суглинок появится на поверхности, и соответствующая глубина скважины (длина шнековой  колонны);

• t₂ и Н₂ — время от начала бурения, через которое транспортируемый песок появится на поверхности, и соответствующая глубина скважины;

• v _п- механическая скорость бурения песка, м/ч:

(8.22)

где Н _ш - длина шнека; t - время углубления скважины в песке на длину шнека:

t _c + t _п = t ₂     (8.23)

где t с -   время бурения суглинка мощностью (Н-Н₀); t п  - время бурения песка мощностью (Н₂-Н)

  (8.24)

где v _c- механичекая скорсоть бурения суглинка

(8.25) (8.26)

После подстановки (8.24) - (8.25) в (8.23) получим

(8.27)

откуда окончательно

(8.28)

Полученное решение (8.28) позволяет расчётным путём установить глубину залегания границы контакта двух различных горных пород.

Рис. 8.30. Расчётная схема

Мотобуры предназначены для бурения скважин шнековым способом глубиной до 10 м при поисках, съемке, картировании и инженерно-геологических изысканиях в труднодоступных районах или стесненных условиях.